专利名称：一种铁磁性材料裂纹预警检测方法及仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于铁磁性金属材料的裂纹预警检测和评估方法，尤其是能够通 过测量铁磁性材料的初始磁导率参量，实现材质晶粒度和缺陷分布状态的扫描检测，从而 对潜在裂纹进行评估和预警的仪器。
背景技术：
铁磁性金属零部件的裂纹主要源于三个环节，即原材料裂纹、加工制造内应力形 成的裂纹，使用过程中疲劳和过载形成的裂纹。前两种情形的裂纹大多能够通过完备的检 测手段在加工制造环节及早发现和排除，通常不会对产品使用和设备运行带来安全隐患， 第三种类型的裂纹山于其裂纹发生时间的不确定性和裂纹位置的不可知性通常具有很大 的危害性，需要在产品和设备使用过程中重点防范。裂纹的存在大大削弱了铁磁性金属材料和构件的机械强度，并可能随着外部负荷 的持续作用继续扩张，最终导致零件失效，从而给机械设备和工程装备的安全运行带来隐 患。工业应用中，通常需要对成品零部件和在役零部件的状态进行裂纹检测以确保设备和 项目的安全运行。为了有效检出裂纹缺陷，人们发明了基于不同原理的铁磁性材料裂纹检 测方法，主要包括射线检测、超声检测、涡流检测、声发射检测、漏磁和渗透检测等。上述检 测仪器和方法大多能够对铁磁性材料表面的宏观裂纹进行有效检测，并已成为工业领域的 常规技术手段，其共性的不足则在于此类仪器通常只能对已经形成的裂纹进行检测，对没 有裂纹但有裂纹趋势的组织缺陷如晶格扭曲、应力集中等材质异常一般不能进行有效检测 并给出预警信息。关键词“裂纹预警”、“Crack warning instrument”在Google和百度中 的检索表明，目前该方面的研究较为有限，且尚无有效的检测仪器。实际应用中，由于外力、振动等外部载荷的作用，铁磁性金属零部件内部一旦形成 裂纹，即有可能快速扩张，从而迅速降低材料强度，造成重大安全隐患，对于高铁、飞机、风 电、压力容器等重大产品、重大装备和重大工程的在役关键零部件而言，及早发现和检出潜 在裂纹意义尤为重大。本发明所提供的裂纹预警检测方法和仪器能够通过铁磁性材料的初始磁导率与 金相组织之间的参数相关性，对铁磁性金属材料的晶粒度、晶格扭曲、应力等组织状态分布 进行有效监测，从而对潜在的裂纹趋势进行评估和预警。

发明内容
技术问题本发明的目的针对现有铁磁性金属材料裂纹仪器只能对已经形成的宏 观裂纹缺陷进行检测，不能对潜在的尚未形成裂纹但有裂纹趋势的组织缺陷进行有效检测 的难题，提供一种基于初始磁导率法的铁磁性金属材料裂纹预警检测方法和仪器。该检测 方法能够通过铁磁性材料的初始磁导率与金相组织之间的参数相关性，对铁磁性金属材料 的晶粒度、晶格扭曲、应力等组织状态分布进行有效监测，从而对潜在裂纹等组织异常进行 评估和预警。
技术方案本发明解决其技术问题所采用的技术方案是1)采用低频螺线管式电磁检测传感器检测铁磁性材料的初始磁导率参数。实验研 究表明，铁磁性材料的初始磁导率参数与材料的成分、金相组织结构、裂纹缺陷等呈直接相 关特性。初始磁导率是磁场强度趋向为零时的磁导率，是B、H在零点处的曲线斜率。选择 初始磁导率的意义在于磁感应强度处于基本磁化曲线的线性区，不会产生剩磁。2)通过运动机构驱动垂直于铁磁性材料表面的笔式螺线管探头以一定速度沿铁 磁性材料表面进行扫描检测，并记录扫描检测得到的数据。3)将上述初始磁导率参数相关的扫描检测数据进行二维或三维可视化处理，得到 铁磁性材料表面的金相组织状态分布图，通过视觉直观判断材质初始磁导率参数明显偏高 或偏低的位置，并依据初始磁导率参数曲线的曲率变化情况提出潜在裂纹预警。4)对扫描检测得到的数据进行处理，按“均值+标准差”、“均值-标准差”确定分 割阈值，对[“均值+标准差”，“均值-标准差”]区间外的区域提出材质异常预警，以警示 重点监测潜在裂纹的可能。5)将扫描检测得到的数据和历史数据进行比较，并计算当前数据和历史数据之 间的相关系数。如果某位置区域的当前数据和历史数据之间的相关系数小于某一特定值 ^ (0 ^ ^ ^ 1)，则表明当前位置处的材料材质出现异常，应对该区域重点监测，防范可能 的潜在裂纹。6)根据实际情况综合上述3、4、5中2个以上的分析结果，做出综合的潜在裂纹预
m 目。有益效果本发明铁磁性材料裂纹预警检测方法和仪器可以很好地克服现有裂纹 监测仪器在实际使用中只能检测宏观裂纹缺陷，不能对潜在的尚未形成裂纹但有裂纹趋势 的组织缺陷进行有效检测的难题，提供一种基于初始磁导率法的铁磁性金属材料裂纹预警 检测方法和仪器。该检测方法能够通过铁磁性材料的初始磁导率与金相组织之间的参数相 关性，对铁磁性金属材料的晶粒度、晶格扭曲、应力等组织状态分布进行有效监测，从而对 潜在裂纹等组织异常进行评估和预警。该方法不损伤工件，没有剩磁，并具有对零部件表面 要求不高的优点。本发明为原创性、具有自主知识产权的检测方法和创新产品，可广泛应用于金属 材料加工企业，特别是高铁、飞机、重大工程、重大装备等领域关键零部件的在役检测与寿 命评估，具有广阔的市场前景，社会效益和经济效益显著。


图1是本发明裂纹预警检测仪器的原理框图。其中，有微处理器1、励磁模块2、笔 式探头3、信号处理4及数据采集5。图2是本发明裂纹预警检测仪器的笔式探头结构图。其中，有探头壳体6、铁磁性 材料7、探头支架8、滚轮9、探头引线10、铁氧体磁芯11、励磁线圈12、次级线圈13、滚轮支 架14。图3是本发明无潜在裂纹趋势的铁磁性材料检测结果示意图。图4是本发明存在潜在裂纹趋势的铁磁性材料检测结果示意图。图中有均值线 15、“均值-标准差”线16及“均值+标准差”线17。
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图5是本发明无材质异常的铁磁性材料平面扫描检测结果示意图。图6是本发明存在材质异常的铁磁性材料平面扫描检测结果示意图。图中有材质 异常区域18。图7是本发明存在潜在裂纹的铁磁性材料平面扫描检测结果示意图。图中有材质 异常区域19。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。图1是本发明裂纹预警检测仪器的原理框图。其中，有微处理器1、励磁模块2、笔 式探头3、信号处理4及数据采集5。微处理器1与励磁模块2相连，励磁模块2与笔式探 头3相连、笔式探头3与信号处理4相连，信号处理4与数据采集5相连，数据采集5与微 处理器1相连。图中，微处理器1是仪器的控制中心和数据处理中心，微处理器1通过励磁 模块2产生驱动笔式探头3中励磁线圈工作的励磁电流，当笔式探头置于铁磁性材料表面 时，笔式探头3中的次级线圈通过电磁耦合产生与铁磁性材料初始磁导率相关的感生电动 势，感生电动势经信号处理4调理后，送至数据采集5，最后被微处理器1读取。操控笔式探 头沿铁磁性材料表面以一定速度勻速移动，微处理器1将能够采集到一系列连续的随位置 而变化的与铁磁性材料初始磁导率参数直接相关的数据。图2是本发明裂纹预警检测仪器的笔式探头结构图。其中，有探头壳体6、铁磁性 材料7、探头支架8、滚轮9、探头引线10、铁氧体磁芯11、励磁线圈12、次级线圈13、滚轮支 架14。图中，探头壳体6内有探头引线10、铁氧体磁芯11、励磁线圈12和次级线圈13，探 头壳体6通过刚性连接固定在探头支架8的中心，探头支架8通过两侧的滚轮支架14与滚 轮9连接成整体，在滚轮支架14和滚轮9的支撑下，探头壳体6与下方的铁磁性材料7之 间保持0. 5mm左右的恒定间隙。图3是本发明无潜在裂纹趋势的铁磁性材料检测结果示意图。如果铁磁性材料7 中无裂纹且无潜在裂纹趋势，当笔式探头从该表面执行单次单向扫描检测时，所得到的初 始磁导率参数相关的检测数据大小相对稳定，数据波动呈随机分布，无明显的突然增大或 减小。图4是本发明存在潜在裂纹趋势的铁磁性材料检测结果示意图。图中有均值线 15、“均值-标准差”线16及“均值+标准差”线17。如果铁磁性材料7中存在裂纹或存在 潜在裂纹趋势，当笔式探头从该表面执行单次单向扫描检测时，所得到的初始磁导率参数 相关的检测数据将出现较大波动，反应在初始磁导率参数曲线上数据的明显增大或减小。 为有效发现该材质异常，分别计算检测数据的均值和标准差，并设立“均值_标准差”线16 和“均值+标准差”线17两条控制线，当散落于[“均值_标准差”，“均值+标准差”]区间 外的数据在某位置处成片大量出现时，则认为该位置所在区域存在材质异常，并怀疑裂纹 或存在潜在裂纹趋势。也可以将图4扫描检测得到的数据和图3的历史数据进行比较，计算当前数据和 历史数据之间的相关系数，并将其与特征值0 (0 ≤ β ≤1)进行比较，0为实验得到的经 验值，随铁磁性材料的材质和形状的不同而有所差异。如果某位置区域的当前数据和历史 数据之间的相关系数小于0，则表明当前位置处的材料材质出现异常，并怀疑裂纹或存在潜在裂纹趋势，应对该区域重点监测。图5是本发明无材质异常的铁磁性材料平面扫描检测结果示意图。如果铁磁性材 料7中无裂纹且无潜在裂纹趋势，当笔式探头从该表面执行多次单向平面扫描检测时，所 得到的初始磁导率参数相关的检测数据大小相对稳定，数据波动呈随机分布，无明显的突 然增大或减小。图6是本发明存在材质异常的铁磁性材料平面扫描检测结果示意图。图中有材质 异常区域18。如果铁磁性材料7中存在材质异常，当笔式探头从该表面执行多次单向平面 扫描检测时，所得到的初始磁导率参数相关的检测数据将出现较大波动，反应在初始磁导 率参数明显的渐变增大或渐变减小，以及初始磁导率参数曲面上的点状凸起。图7是本发明存在潜在裂纹的铁磁性材料平面扫描检测结果示意图。图中有材质 异常区域19。如果铁磁性材料7中存在裂纹或潜在裂纹趋势，当笔式探头从该表面执行多 次单向平面扫描检测时，所得到的初始磁导率参数相关的检测数据将出现较大波动，反应 在初始磁导率参数明显的渐变增大或渐变减小，以及初始磁导率参数曲面上的条状凸起。分别计算平面扫描检测得到的二维数据的均值和标准差，并设立“均值_标准差” 线和“均值+标准差”线控制线，当散落于[“均值-标准差”，“均值+标准差”]区间外的 数据在某位置处成片大量出现时，则认为该位置所在区域存在材质异常，并怀疑裂纹或存 在潜在裂纹趋势。也可以将图6、图7平面扫描检测得到的二维数据和图5的历史数据进行比较，计 算当前数据和历史数据之间的相关系数，并将其与特征值0 (0 < 0 < 1)进行比较，如果 某位置区域的当前数据和历史数据之间的相关系数小于0，则表明当前位置区域的材料材 质出现异常，并怀疑裂纹或存在潜在裂纹趋势。实际应用中，可将检测结果的一维或二维数据形态、均值_标准差检测及相关检 测结果综合在一起进行裂纹预警检测判断，以减少误判。本发明为原创性、具有自主知识产权的创新产品。本发明所提供的裂纹预警检测 方法和仪器能够较好应用于铁磁性材料存在裂纹及潜在裂纹趋势时的裂纹检测和裂纹预 警。可广泛应用于金属材料加工企业，特别是高铁、飞机、重大工程、重大装备等领域关键零 部件的在役检测与寿命评估，具有广阔的市场前景，社会效益和经济效益显著。
权利要求
一种铁磁性材料裂纹预警检测方法及仪器，其特征在于该仪器包括微处理器1、励磁模块2、笔式探头3、信号处理4及数据采集5。其中，微处理器1与励磁模块2相连，励磁模块2与笔式探头3相连、笔式探头3与信号处理4相连，信号处理4与数据采集5相连，数据采集5与微处理器1相连。
2.根据权利要求1所述的一种铁磁性材料裂纹预警检测方法及仪器，其特征在于笔式 探头3由探头壳体6、铁磁性材料7、探头支架8、滚轮9、探头引线10、铁氧体磁芯11、励磁线 圈12、次级线圈13、滚轮支架14构成。其中，探头壳体6内有探头引线10、铁氧体磁芯11、 励磁线圈12和次级线圈13，探头壳体6通过刚性连接固定在探头支架8的中心，探头支架 8通过两侧的滚轮支架14与滚轮9连接成整体，在滚轮支架14和滚轮9的支撑下，探头壳 体6与下方的铁磁性材料7之间保持0. 5mm左右的恒定间隙。
3.根据权利要求1所述的一种铁磁性材料裂纹预警检测方法及仪器，其特征在于通过 检测初始磁导率参数的波动监测铁磁性材料的材质异常，并据此判断铁磁性材料中是否存 在裂纹或潜在裂纹趋势。
4.根据权利要求1所述的一种铁磁性材料裂纹预警检测方法及仪器，其特征在于分别 计算检测数据的均值和标准差，并设立“均值_标准差”线16和“均值+标准差”线17两 条控制线，当散落于[“均值-标准差”，“均值+标准差”]区间外的数据在某位置处成片大 量出现时，则认为该位置所在区域存在材质异常，并据此怀疑裂纹或存在潜在裂纹趋势。
5.根据权利要求1所述的一种铁磁性材料裂纹预警检测方法及仪器，其特征在 于将扫描检测得到的当前数据和历史数据进行比较，并计算当前数据和历史数据之间 的相关系数，如果某位置区域的当前数据和历史数据之间的相关系数小于某一特征值 3 (0^ 0 <1)，则据此认为当前位置处的材料材质出现异常，并怀疑裂纹或存在潜在裂纹 趋势。
6.根据权利要求1所述的一种铁磁性材料裂纹预警检测方法及仪器，其特征在于当笔 式探头在铁磁性材料表面执行多次单向平面扫描检测，所得到的初始磁导率参数出现较大 波动，反应在初始磁导率参数明显的渐变增大或渐变减小，以及初始磁导率参数曲面上的 点状凸起时，则认为铁磁性材料中存在材质异常。
7.根据权利要求1所述的一种铁磁性材料裂纹预警检测方法及仪器，其特征在于当笔 式探头在铁磁性材料表面执行多次单向平面扫描检测，所得到的初始磁导率参数相关的检 测数据出现较大波动，反应在初始磁导率参数明显的渐变增大或渐变减小，以及初始磁导 率参数曲面上的条状凸起时，则认为铁磁性材料中存在裂纹或潜在裂纹趋势等材质异常。
8.根据权利要求1所述的一种铁磁性材料裂纹预警检测方法及仪器，其特征在于将检 测结果的一维或二维数据形态、均值_标准差检测及相关检测结果综合在一起进行裂纹预 警检测判断，以减少误判。
全文摘要
本发明为一种用于铁磁性材料质量监测的裂纹检测预警方法及仪器。该仪器包括微处理器1、励磁模块2、笔式探头3、信号处理4及数据采集5。其中，笔式探头包括探头壳体6、铁磁性材料7、探头支架8、滚轮9、探头引线10、铁氧体磁芯11、励磁线圈12、次级线圈13、滚轮支架14。其特征在于通过检测初始磁导率参数的波动监测铁磁性材料的材质异常，并据此判断裂纹或潜在裂纹趋势的可能性，当检测结果的一维或二维数据形态出现凸起、散落于[“均值-标准差”，“均值+标准差”]区间外的数据在某位置处成片大量出现，以及某位置区域的当前数据和历史数据之间的相关系数小于某一特征值β(0≤β≤1)时，则认为该位置所在区域存在材质异常，并据此怀疑裂纹或存在潜在裂纹趋势。
文档编号G01N27/82GK101858887SQ20101017231
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者帅立国 申请人:帅立国